超声原子力显微镜成像及分析汇总.pdfVIP

摘要 摘要 随着纳米科技的飞速发展，超高分辨率、非侵入式的成像检测技术在生物、 材料等科学领域中将发挥重要的作用。传统基于光学、声学原理的三维成像技 术由于受衍射分辨极限的限制，分辨率较低，无法实现在纳米尺度上对样品性 质的精细观察分析。扫描探针显微镜具备纳米甚至原子量级的实空间分辨能力， 但传统的扫描探针显微镜技术仅能对样品表面特性进行观测，而无法得到内部 结构信息。超声原子力显微镜结合超声检测技术的三维成像能力与原子力显微 镜的纳米尺度成像技术，可以检测样品内部结构，并分析其弹性模量、刚度等 力学特性。本文围绕超声原子力显微镜系统构建、综合成像实验测试、理论分 析及有限元仿真，主要进行了以下几方面研究工作： (1)结合原子力显微镜悬臂梁动态特性基础理论，推导分析了超声原子力 显微镜测量样品力学特性的方法；通过波的传播理论，给出了超声波穿过样品 后，由于内部嵌入其他材料而引起的理论上的振幅和相位变化。 (2)搭建了外接信号发生器激励、锁相放大器处理的原子力声显微镜系统， 以及商用原子力显微镜自身的信号发生器激励与锁相环处理的超声原子力显微 镜系统，并且分别对这两种显微系统进行成像测试。提出振幅成像与样品表面 形貌特征的理论联系，揭示原子力声显微镜表征样品力学特性时表面形貌的耦 合机制。详细测试了影响原子力声显微镜成像的若干主要因素，包括激励频率、 悬臂梁振动响应中的干扰峰及工作环境等。 (3)有限元仿真对比分析自由振动及接触振动时超声激励原子力声显微镜 悬臂梁的动态特性以及样品受力时的刚度分布。阐明样品材料不同引起的接触 刚度变化、针尖压入深度不同引起的作用力变化以及针尖在悬臂梁上的位置变 化对悬臂梁振动特性的影响；对比研究了不同材料、不同内部结构形状、不同 的内部结构位置、不同的受力大小及位置时样品接触刚度变化规律。 综上所述，面向超高分辨率、非侵入式的样品内部纳米结构检测技术的需求， 本文在普通原子力显微镜基础上初步构建超声原子力显微镜系统，并且对若干关 键测量影响因素进行实验和有限元分析。这些工作可为后续进行原子力声显微镜 亚表面纳米结构三维成像研究奠定基础。 关键词：原子力声显微镜三维纳米成像无损检测力学特性有限元分析 II ABSTRA|cT ABSTRACT Nondes扭lc_tiVesubsurface wi廿1 rcs01u缸onwill ima昏ngtec：hnologyul仃a_lligh role协Variousfieldsofnanoscienceandnanote aS play锄import锄t c：11Ilology’such sCiellces．naditional3·diIllcnsional bi010鼢mat耐als iIIl姆ngtecl：111iques，’for aIldacoustic exaIllple，叩dcalmicroscopy lnicroscop弘canhardlyanalyZeⅡle to atmenanometerscaleduemedi衢action s觚lplepropemes 1imit．ScaI】11iI坞probe atomicforce me microscopMincluding microscopy，haS也ea：bilit)，todistinguish i11 wimnanometerorevcnatomicresolution． s鲫lpletopo黟aph